KR20090114829A - 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전기 화학 반응을 일으키는 전극과 전기 화학 반응에 의해 발생된 이온을 전달하는 전해질막을 구비하는 전극 전해질 접합체와, 전극 전해질 접합체를 지지하며 전기적으로 서로 절연되는 복수개의 세그먼트를 포함하는 분리판을 포함하는 연료 전지에 관한 것이다. 이에 의하여, 분리판이 전기적으로 서로 절연된 복수개의 세그먼트를 포함함으로써, 각 세그먼트 마다 성능 평가가 가능하게 된다.
연료 전지, 절연, 세그먼트

Description

연료 전지{Fuel cell}
본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분리판 내의 각 세그먼트 마다 성능 평가가 가능한 연료 전지에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는, 전극과 전해질막의 접합체인 전극 전해질 접합체와, 분리판(103)으로 이루어져 있다.
이러한 연료 전지는 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생시킨다.
실제 연료전지 차량에서 사용되기 위해 필요한 에너지는 외부에서 전류를 인가함으로써 얻어지는 전압 값에 의해 결정된다. 전기 법칙에 의해 전류 량과 전압 값이 클수록 얻어지는 에너지는 크게 된다. 특히 전류량은 촉매가 반응하는 활성 면적에 비례한다. 보통 차량용에 사용되는 연료전지의 활성 면적은 200cm2이상 되는 분리판을 사용한다.
도 1은 종래의 연료 전지의 분리판을 도시한 도면이다. 이러한 종래의 연료 전지(100)는, 분리판(110)과 분리판 외부의 절연체(120)로 이루어지며, 분리판 내 에 각종 측정을 위한 측정용 단자(130)가 배치된다.
종래 기술은 200cm2이상 (이상 대면적) 되는 분리판 면적의 셀 성능을 평가 하는데 있어 연료 전지(100), 즉 셀 전체에 전자 부하를 연결하여 성능 평가를 진행한다.
한편, 대면적 분리판(110)에서는 분리판(110)의 유로 패턴과 위치에 따라 부분적으로 성능 및 특성이 다르게 나타난다. 가스 입구에 해당하는 부분은 가스 농도가 상대적으로 높기 때문에 높은 성능을 보일 수 있고, 반면 가스 출구는 상대적으로 낮은 가스 농도로 인해 낮은 성능을 보일 수 있다. 이에 따라 연료 전지(100), 즉 셀의 내구 성능 평가를 진행할 경우, 전극 전해질 접합체의 손상 또한 분리판 위치에 따라 다르게 나타날 수 있다.
따라서, 기존의 평가 치구를 이용하여 성능 평가 진행 시, 상술한 바와 같이, 부분적인 특성 차이를 구분할 수 없다. 즉, 셀 전체에 전자 부하를 연결하여 셀 평가를 진행하기 때문에 분리판 위치에 따른 성능은 구별이 어렵다. 또한, 분리판이 전기적으로 연결되어 있기 때문에 위치에 따른 분리 평가하는 것 자체가 불가능하다.
또한, 임피던스 측정을 통한 셀 내부의 거동 변화 관찰 역시 기존의 방법으로는 대면적 전체에 대해서만 측정이 가능하다. 셀의 면적이 증가하면 분리판 위치에 따라 내부 가습 정도 역시 다르기 때문에 임피던스 측정을 통한 내부 저항 역시 다르게 나타나게 되는데 기존의 방법으로는 이러한 변화를 감지할 수 없다.
또한, 전극 전해질 접합체의 손상에 사용되는 촉매의 활성도를 측정하는 방법인 CV 측정 역시 기존의 평가 방법으로는 대면적 셀 전체에 대해서만 측정이 가능하여 내구 평가 중이거나 내구 평가가 완료된 전극 전해질 접합체에 대해서 분리판 위치에 따라 촉매의 활성도 차이를 구별할 수 없다.
또한, 기존 평가 방법을 이용하여 부분적 성능 평가 및 특성을 분석하기 위해서는 대면적 전극 전해질 접합체를 특정한 크기로 자른 후 별도의 치구에 삽입하여 평가를 진행해야 한다는 단점이 있다. 이 경우 셀을 해체했다가 재제작하는 과정에서의 변화가 반영되기 때문에 정확한 특성 차이를 판단하기 곤란하다.
본 발명의 목적은, 분리판이 전기적으로 서로 절연된 복수개의 세그먼트를 포함하도록 하여 각 세그먼트 마다 성능 평가가 가능한 연료 전지를 제공하는 것이다.
상술한 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지는, 전기 화학 반응을 일으키는 전극과 전기 화학 반응에 의해 발생된 이온을 전달하는 전해질막을 구비하는 전극 전해질 접합체와, 전극 전해질 접합체를 지지하며 전기적으로 서로 절연되는 복수개의 세그먼트를 포함하는 분리판을 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명 실시예에 따른 연료 전지는, 분리판이 전기적으로 서로 절연된 복수개의 세그먼트를 포함함으로써, 각 세그먼트 마다 성능 평가가 가능하게 된다. 즉, 각 세그먼트 마다 전류 측정, 전압 측정 또는 온도 측정이 가능하며, 그 외 내부 저항 측정, 촉매 활성도 측정이 가능하게 된다. 또한, 분리판의 일부에 분에 대한 정확한 특성 측정이 가능하게 된다. 또한, 셀을 해체하였다가 재제작하는 과정에서의 변화가 반영될 수 있다. 이러한 특성은, 분리판이 대형화될 수록 유리하다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명과 관련한 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 2의 연료 전지 스택(200)은, 다수개의 전극 전해질 접합체(201, MEA), 이를 지지하는 다수개의 분리판(203), 적층된 분리판(203)의 양측 단부를 지지하는 2개의 엔드 플레이트(213,215), 및 이를 체결하는 체결봉(217)을 포함한다.
즉, 도 2의 연료 전지 스택(200)은, 전기 화학 반응을 일으키는 전극과 전기 화학 반응에 의해 발생된 이온을 전달하는 전해질막을 구비하는 전극 전해질 접합체(201, MEA)와, 전극 전해질 접합체를 지지하는 분리판(203)으로 이루어지는 연료전지가 적층되어 형성된다.
고분자 전해질막을 사용하는 고분자 전해질 연료 전지는 다른 형태의 연료 전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에, 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없게 된다. 또한, 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기도 하다.
이러한 고분자 전해질 연료 전지는, 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치로서, 공급된 수소(H2)가 애노드(Anode) 전극의 촉매에서 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분리되고, 분리된 수소 이온(H+)은 전해질막을 통해 캐소드(Cathode)로 넘어가게 된다.
이때, 공급된 산소와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하 면서 전기에너지를 발생시키며, 이때, 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며 반응식은 다음과 같다.
Anode : H2 → 2H++2e- ,
Cathode : (1/2)O2 +2H++2e-→H2O
실제 이러한 연료 전지를 전기자동차용으로 사용하기 위해서는, 상술한 전위보다 더 큰 전위를 필요로 하므로, 이를 위해 개별 단위 전지를 필요한 전위만큼 적층한 것이다.
한편, 분리판(203)과 분리판(203) 사이에는 전극 전해질 접합체(201;MEA)가 위치하여 화학반응이 일어나고, 가스교환을 효율적으로 하기 위한 가스 확산층(GDL)이 위치하며, 한쪽 분리판(203)의 가스통로를 통과한 수소는 가스 확산층을 통하여 전극 전해질 접합체(201)에 도달하고 마주보는 쪽에서는 산소가 위치한다.
상호 화학반응에 의하여 발생한 전류는 도체의 분리판(203)을 통하여 흐르게 되며, 분리판(203)의 맨 끝에서 전극을 통하여 뽑아낼 수 있다. 또한, 발생한 물은 외부로 방출시키거나 화학반응을 일으키는데 일부 사용되기도 하는데, 이때, 가능한 많은 양의 전류가 흐르는 연료 전지가 효율이 좋게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지의 분리판을 도시한 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지(300)는, 전극 전해질 접합체(미도시)와, 분리판(310)을 포함한다.
전극 전해질 접합체(미도시)는, 전기 화학 반응을 일으키는 전극(애노드 전극, 캐소드 전극)과, 전기 화학 반응에 의해 발생된 이온을 전달하는 전해질막(미 도시)을 구비한다. 이 전해질막은, 고분자 전해질막인 것이 바람직하다.
분리판(310)은, 전극 전해질 접합체(미도시)를 지지하며, 전기적으로 서로 절연되는 복수개의 세그먼트(S1~S8)를 포함한다. 도 1의 분리판(110)은 단일의 분리판으로 형성되어 분리판 일부에 대한 특성을 정확히 측정할 수 없음에 비해, 도 3의 분리판(310)은 전기적으로 절연되는 복수개의 세그먼트(S1~S8)으로 나뉘어, 각 세그먼트 마다의 특성을 정확히 측정할 수 있게 된다.
이러한, 복수개의 세그먼트(S1~S8)는 절연체(325)에 의해, 전기적으로 절연될 수 있다. 이때 절연체(325)로는 다양한 소재가 가능하나, 예를 들어 유리 섬유(glass fiber)일 수도 있다.
한편, 분리판(310) 외부에는 분리판(310)을 둘러싸는 절연체(320)가 형성될 수 있다. 이때 절연체(320)로는 다양한 소재가 가능하나, 예를 들어 유리 섬유(glass fiber)일 수도 있다. 이러한 절연체(320)는 상술한 세그먼트를 절연하기 위한 절연체(325)와 일체형으로 형성될 수도 있다.
한편, 분리판(310)의 각 세그먼트(S1~S8)는, 다양한 측정을 위해, 도면과 같이 전류 측정 단자(330), 전압 측정 단자(335) 및 온도 측정 단자(340) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 물론, 분리판(310)의 각 세그먼트(S1~S8)는 전류 측정 단자(330), 전압 측정 단자(335) 및 온도 측정 단자(340) 외의 다른 측정용 단자를 포함하는 것이 가능하다.
한편, 전류 측정 단자(330), 전압 측정 단자(335) 및 온도 측정 단자(340)에 각각, 전류 측정 치구(미도시), 전압 측정 치구(미도시), 온도 측정 치구(미도 시)가 각각 연결될 수 있다.
이와 같은 연료 전지(300)를 평가 치구(전류 측정 치구, 전압 측정 치구, 온도 측정 치구)를 이용하여 성능 평가 진행시, 분리판(310)의 일부, 즉 세그먼트 별로 측정이 가능하게 되어, 정확한 성능 평가 진행이 가능하게 된다.
예를 들어, 임피던스 측정시, 도 1에서는 분리판(110) 전체에 대해서만 임피던스 측정이 가능하였으나, 도 3에서는 분리판(310) 내의 각 세그먼트(S1~S8) 별로 임피던스 측정이 가능해진다.
또한, 전극 전해질 접합체(미도시)에 사용되는 촉매의 활성도를 측정하는 CV 측정시, 분리판(310)의 위치에 따라 촉매의 활성도 차이를 구별할 수 있게 된다.
또한, 전류 측정시, 각 세그먼트(S1~S8)내의 전류 측정 단자(330)를 이용함으로써, 분리판(310)의 일부, 즉 세그먼트(S1~S8) 별 측정이 가능하게 된다.
또한, 전압 측정시, 각 세그먼트(S1~S8)내의 전압 측정 단자(335)를 이용함으로써, 분리판(310)의 일부, 즉 세그먼트(S1~S8) 별 측정이 가능하게 된다.
또한, 온도 측정시, 각 세그먼트(S1~S8)내의 온도 측정 단자(340)를 이용함으로써, 분리판(310)의 일부, 즉 세그먼트(S1~S8) 별 측정이 가능하게 된다.
도 4는 도 3의 분리판에 셀 평가 치구가 연결되는 것을 보여주는 부분 사시도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 분리판(310)의 하나의 세그먼트에는 전류 측정 단자(330), 전압 측정 단자(335) 및 온도 측정 단자(340)가 형성된다. 도면에서는, 전류 측정 단자(330)에 전류 케이블(410)이 접속되는 것을 보여준다. 이러한 셀 평 가 치구가 연결되어, 정확하게 분리판(310)의 일부, 즉 세그먼트 별로 전류 측정이 정확하게 수행될 수 있게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래의 연료 전지의 분리판을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명과 관련한 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지의 분리판을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 분리판에 셀 평가 치구가 연결되는 것을 보여주는 부분 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
300:연료 전지 310:분리판
325:절연체 330:전류 측정 단자
335:전압 측정 단자 340:온도 측정 단자

Claims (6)

  1. 전기 화학 반응을 일으키는 전극과, 전기 화학 반응에 의해 발생된 이온을 전달하는 전해질막을 구비하는 전극 전해질 접합체; 및
    상기 전극 전해질 접합체를 지지하며, 전기적으로 서로 절연되는 복수개의 세그먼트를 포함하는 분리판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리판의 각 세그먼트는, 전류 측정 단자, 전압 측정 단자 및 온도 측정 단자 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리판의 각 세그먼트는 유리 섬유에 의해 절연되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각 세그먼트의 전류를 측정하는 전류 측정 치구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각 세그먼트의 전압을 측정하는 전압 측정 치구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각 세그먼트의 온도를 측정하는 온도 측정 치구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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